Công suất máy nén ảnh hưởng đến áp suất của máy nén khí - Phần 2: Ảnh hưởng của áp suất hệ thống đến máy nén ly tâm
Đây là bài viết thứ hai trong loạt bài về khí nén gồm ba phần của Mark Krisa, Giám đốc - Giải pháp dịch vụ toàn cầu, Ingersoll Rand
Người ta thường thấy các chuyên gia đánh giá năng lượng đối xử với máy nén ly tâm như máy nén chuyển tích cực khi cố gắng giảm mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống khí nén. Thật không may, máy nén ly tâm thường lớn hơn nhiều và tính toán sai có thể dễ dàng đại diện cho hàng trăm ngàn đô la trong việc tiết kiệm năng lượng được đánh giá quá cao. Những lỗi này không độc hại; chúng là kết quả của các thực tiễn tốt nhất được áp dụng quá mức bởi các cá nhân có kiến thức về máy nén ly tâm hạn chế. Loại kiến thức này không có sẵn và hầu hết các chuyên gia đánh giá năng lượng không có quyền truy cập vào các nhóm kỹ thuật chịu trách nhiệm phát triển kỹ thuật và thiết kế máy nén ly tâm. Từ góc độ đơn vị, máy nén ly tâm là một phần nhỏ của thị trường máy nén khí nên nguồn lực am hiểu về kỹ thuật bị hạn chế.
Xác định tài nguyên máy nén kỹ thuật
Điều quan trọng là phải nhận ra rằng những người bán hàng khí nén đại diện cho một trong những nguồn thông tin kỹ thuật lớn nhất liên quan đến các hệ thống và linh kiện khí nén. Mặc dù một số nhân viên bán hàng là các kỹ sư có năng lực kỹ thuật, nhưng không có gì lạ khi tìm thấy từ Kỹ sư kỹ thuật được sử dụng như một tính từ trong một chức danh công việc. Cho dù kỹ sư là một chức danh bởi giáo dục hoặc chức năng công việc, nó không đảm bảo thông tin chính xác về mặt kỹ thuật. Tương tự, kinh nghiệm là một thuật ngữ thường được sử dụng để ngụ ý kiến thức tuyệt vời gắn liền với nhiều năm thực hành. Kinh nghiệm có thể có giá trị cho các chức năng với kết quả nhân quả đơn giản hoặc các nhiệm vụ lặp đi lặp lại trong đó bộ nhớ cơ có thể tăng cường hiệu suất. Tuy nhiên, trong một ngành công nghiệp mà các kết quả hiếm khi được đo bằng cách sử dụng các thiết bị chính xác trong môi trường được kiểm soát, nhiều huyền thoại kỹ thuật và sau nhiều năm lặp lại, được coi là sự thật đã được khoa học chứng minh. Ví dụ, phần một của bài viết này đã được in vào tháng trước, đã giải thích cách giả định sức mạnh 1 phần trăm đối với 2 psi và tại sao nó không đúng.
Làm việc tại Ingersoll Rand, một trong những nhà sản xuất và cải tiến sản phẩm khí nén lớn nhất thế giới, tạo điều kiện cho nhiều cơ hội thảo luận kỹ thuật với các kỹ sư tài năng thiết kế máy nén để kiếm sống. Việc tham gia vào nhiều nhóm kỹ thuật liên quan đến khí nén với ISO, CAGI và CSA cũng tạo cơ hội thảo luận cấp cao với các kỹ sư từ các nhà sản xuất máy nén khác. Thật thú vị, bất cứ khi nào thảo luận về chủ đề áp lực và sức mạnh cho máy nén, hầu như mọi kỹ sư đều lấy lại công suất 1 phần trăm cho giả định 2 psi. Sau khi thảo luận về các thuộc tính hệ thống và nhiệt động lực học, tất cả đều đồng ý rằng tuyên bố 2: 1 là không chính xác nhưng nhiều người cho rằng đó là sự thật và liên quan đến cách máy nén hoạt động liên quan đến áp suất trong đường ống mạng. Khi các kỹ sư trẻ mới vào ngành, tuyên bố 2: 1 là kiến thức kỹ thuật được chia sẻ bởi các kỹ sư cao cấp. Kinh nghiệm sai lầm và tuổi tác cho thực tế khoa học, nhiều giả định vô tội đã không được nghi ngờ.
Vì lý do đóng cửa, lý thuyết dường như bắt nguồn từ đầu những năm 1900 như là một ước tính hợp lý dựa trên một phương trình phức tạp được sử dụng để tính mã lực phanh cho máy nén pittông lớn so với áp suất bên trong xi lanh. Điều này không áp dụng khi xem xét tất cả các thành phần và thay đổi công nghệ tạo nên máy nén hiện đại. Giả thuyết 2: 1 giống như một tin đồn lặp đi lặp lại thành một câu chuyện khác nhau với sự giải thích của mỗi người và chia sẻ sau đó. Điều này xảy ra khi nội dung kỹ thuật phức tạp được đơn giản hóa và khái quát hóa trước khi tiếp cận với những người bán hàng tại hiện trường và các cá nhân khác phổ biến kiến thức máy nén cho thị trường.
Đặc điểm hoạt động của máy nén ly tâm
Không giống như máy nén dịch chuyển tích cực trong đó áp suất là chức năng của lực cơ học (công suất) tác động lên bề mặt làm giảm thể tích một cách vật lý, máy nén ly tâm không thể tăng khả năng chịu áp suất bằng cách tăng công suất. Một máy nén ly tâm, còn được gọi là máy nén động, tạo ra áp suất theo một cách khác. Một khối không khí nhất định được gia tốc thông qua một bánh công tác và truyền động năng. Không khí đi qua bộ khuếch tán, làm giảm vận tốc và chuyển đổi một phần động năng thành nhiệt năng và thế năng. Điều này biểu hiện dưới dạng tăng áp suất không khí và nhiệt độ. Tùy thuộc vào yêu cầu áp suất của máy nén, không khí trải qua quá trình tương tự qua các giai đoạn tiếp theo và xây dựng theo yêu cầu áp suất thiết kế. Để cải thiện hiệu quả, một số hoặc tất cả các giai đoạn làm mát không khí trước khi bước vào giai đoạn tiếp theo. Đối với mục đích thảo luận, giải thích hoạt động đã được đơn giản hóa trong một nỗ lực để duy trì trong phạm vi. Khả năng áp suất của máy nén ly tâm được quyết định bởi thiết kế khí động học của các bộ phận bên trong, điều kiện môi trường xung quanh, tốc độ quay và làm mát không khí giữa các giai đoạn.
Mối quan hệ giữa lưu lượng, áp suất và công suất cho máy nén ly tâm thường được thể hiện bằng cách sử dụng đường cong hiệu suất dựa trên các điều kiện môi trường cụ thể, nước làm mát và các bộ phận bên trong được áp dụng. Do đó, hiệu suất - và đáng chú ý nhất - khả năng áp lực thay đổi khi điều kiện môi trường thay đổi trong suốt cả năm. Một đường cong làm việc bao gồm dữ liệu chồng chéo từ ba bộ điều kiện môi trường xung quanh được sử dụng để minh họa hiệu ứng này trong Hình. 1.
Hình 1 - Đường cong hiệu suất của máy nén ly tâm
Đường cong hiệu suất được tạo thành từ hai phần: đường cong dòng chảy áp lực và đường cong dòng điện. Đường cong dòng chảy áp lực có áp lực trên trục tung và dòng chảy trên trục hoành. Đường cong dòng điện có công suất trên trục tung và dòng chảy trên trục hoành. Các giá trị dòng chảy cho mỗi trục ngang thẳng hàng để mỗi đường cong dòng chảy áp lực có đường cong dòng chảy công suất phù hợp. Lưu ý cách đường cong tự nhiên di chuyển lên và sang phải khi nhiệt độ môi trường giảm. Nhìn vào các đường cong màu đỏ cho sức mạnh và áp lực đối với dòng chảy, di chuyển từ trái sang phải, một đường thẳng đứng giao nhau cả hai đường cong minh họa áp suất và sức mạnh thiết kế cho dòng chảy và điều kiện môi trường cụ thể đó. Di chuyển từ trái sang phải, chú ý cách tăng sức mạnh ban đầu khi áp suất giảm và sau đó giảm dần khi một người di chuyển xa hơn sang phải. Điều này minh họa cách sức mạnh không tỷ lệ thuận với sự thay đổi áp lực. Mối quan hệ này dựa trên thiết kế khí động học của các thành phần bên trong. Một số máy nén sử dụng bánh công tác thiết kế xuyên tâm có hiệu suất tối đa ở đầu đường cong ngay trước khi tăng tự nhiên. Một thiết kế nghiêng về phía sau có thể làm tăng hiệu quả khi áp suất giảm hoặc có thể đạt được hiệu quả cao nhất tại một số điểm trên đường cong và sau đó giảm ở áp suất thấp hơn.
Tham khảo đường cong dòng chảy áp suất màu đỏ, lưu ý rằng khi áp suất giảm, lưu lượng cho máy nén tăng. Một máy nén ly tâm thực hiện tương đối với đường cong tự nhiên khi lắp ráp đầu vào được mở 100 phần trăm, hoặc đủ để mở lắp ráp nhiều hơn không có tác động đến áp lực họng đầu vào. Một máy nén hoạt động ở trạng thái tối đa đôi khi được gọi là hoạt động ở mức đầy tải - hoặc trên phần hoạt động của đường cong nơi dòng chảy thay đổi liên quan đến áp suất. Lưu lượng tăng khi áp suất giảm nhưng chú ý độ dốc của đường cong thay đổi khi áp suất giảm. Cuối cùng, đường cong trở nên không có triệu chứng - thẳng lên và xuống - khi máy nén di chuyển vào một khu vực được gọi là sặc hoặc đá.
Tại thời điểm này, áp suất giảm có rất ít hoặc không có thay đổi về dòng chảy hoặc sức mạnh. Công suất không giảm khi máy nén hoạt động ở mức hoặc dưới cuộn cảm. Khi máy nén bị sặc, vận tốc đã đạt đến ngưỡng âm tại một số điểm trong máy nén. Sau đó, máy nén duy trì áp suất bên trong ở giá trị tối thiểu không phụ thuộc vào áp suất xả bên ngoài vào máy nén. Về bản chất, áp suất bên trong giảm theo áp lực bên ngoài cho đến khi đạt đến áp suất bên trong tối thiểu. Dưới giá trị tối thiểu này, áp suất chỉ giảm trong hệ thống trong khi áp suất bên trong duy trì ở giá trị tối thiểu bị giới hạn bởi giới hạn vận tốc âm thanh.
Áp suất trên bị giới hạn bởi khả năng của máy nén để chuyển đổi động năng thành áp suất. Ở một số cân bằng năng lượng, áp suất tạo ra nhỏ hơn áp suất bên trong, gây ra sự mất ổn định đôi khi được gọi là đảo ngược dòng chảy hoặc tăng đột biến. Hoạt động của máy nén không ổn định tại, hoặc gần với áp suất tăng. Khả năng áp suất, hoặc áp suất tăng tự nhiên, chỉ có thể tăng nếu mật độ không khí vào tăng. Hiện tượng tương tự này xảy ra ở một điều kiện lưu lượng ổn định tối thiểu được gọi là tăng ga. Nếu nhu cầu về không khí ít hơn cung cấp cho một áp suất cần thiết, cụm đầu vào sẽ điều chỉnh, giảm áp suất và lưu lượng họng vào. Điều này thường được gọi là một máy nén hoạt động trong điều chế, trên van tiết lưu hoặc ở áp suất không đổi.
Ảnh hưởng của áp lực lên công suất máy nén ly tâm
Nhìn vào hiệu suất trong phần hoạt động của đường cong, Hình 2 minh họa những thay đổi chi tiết về lưu lượng và công suất so với áp suất xả.
Hình 2 - Dữ liệu hiệu suất máy nén ly tâm mẫu
Dữ liệu trong hình 2 dựa trên hiệu suất được thử nghiệm cho một máy nén ly tâm cụ thể. Nhìn vào hiệu suất máy nén ở mức 121 psig và 111 psig, việc giảm áp suất từ 121 xuống 111 psig chỉ làm giảm công suất xuống 5 mã lực. Điều này thể hiện giảm ít hơn 0,35 phần trăm công suất trục. Quy tắc 0,5% trên mỗi psig (được mô tả trong Phần 1: Công suất máy nén ảnh hưởng áp suất hệ thống không khí chạy trong số tháng 7 của Thực tiễn tốt nhất về khí nén) không áp dụng. Nó sẽ dự đoán giảm 5 phần trăm sức mạnh với khoản tiết kiệm ước tính 50.000 đô la mỗi năm, trái ngược với mức 3.000 đô la nhận ra. Trong ví dụ này, ước tính tiết kiệm có thể được phóng đại lên tới hơn 16 lần giá trị thực.
Vì máy nén trong ví dụ này đang hoạt động trong phạm vi hoạt động của đường cong, lưu lượng tăng ~ 100 scfm. Giả sử nhu cầu giữ nguyên và công suất máy nén thay đổi tỷ lệ thuận với sự thay đổi của dòng chảy, công suất trục máy nén bị giảm tổng cộng 27 mã lực hoặc 1,8%. Đây là ít hơn 36 phần trăm của khoản tiết kiệm được ước tính bằng cách sử dụng quy tắc 0,5% cho mỗi psig, mang lại 18.000 đô la tiền tiết kiệm so với 50.000 đô la sử dụng phép tính được áp dụng không chính xác. Nếu máy nén thường hoạt động ở trạng thái điều biến bằng cách sử dụng các van dẫn hướng đầu vào được áp dụng chính xác, công suất trục sẽ giảm 1,7%.
Điều quan trọng cần lưu ý là không giống như máy nén khí trục vít quay, số kiểu máy nén ly tâm không nhất thiết phải đại diện cho hiệu suất của máy nén. Một số kết hợp cánh quạt / khuếch tán khác nhau có thể được sử dụng cho đúc, thiết kế và động cơ bên ngoài nhất định. Sự kết hợp giữa cánh quạt và bộ khuếch tán thường được gọi là máy nén khí aero. Một số gói aero khác nhau có thể được sử dụng cho một số kiểu máy nén nhất định và mỗi gói có khả năng hiệu suất riêng. Người ta không thể sử dụng đường cong chung - hoặc thậm chí là đường cong từ cùng một kiểu máy nén - trừ khi nhà sản xuất xác nhận rằng máy nén được sản xuất bằng cách sử dụng cùng aero.
Điều quan trọng không kém là đảm bảo dữ liệu được sửa chữa cho các điều kiện trang web hoặc một loạt các điều kiện nếu môi trường thay đổi theo thời gian. Tham khảo hình 1, ba đường cong (từ trái sang phải) biểu thị dữ liệu từ các điều kiện môi trường xung quanh ở 95 ° F, 70 ° F và 30 ° F. Dựa trên cách đường cong hiệu suất thay đổi so với nhiệt độ, không có gì lạ khi tìm thấy máy nén hoạt động trong cuộn cảm trong vài tháng một năm. Điều này rất có ý nghĩa vì mọi ước tính về tiết kiệm năng lượng liên quan đến áp lực đều phải tính đến thời gian, nhiệt độ và vị trí trên đường cong. Không có dữ liệu này, bất kỳ nỗ lực nào để ước tính tiết kiệm liên quan đến áp lực có thể gây hiểu nhầm. Trong một số trường hợp, sức mạnh có thể tăng lên khi áp suất giảm.
Tiết kiệm năng lượng cho máy nén ly tâm
Khả năng áp suất tối đa của một máy nén cụ thể dựa trên gói aero, điều kiện môi trường xung quanh và điều kiện cơ học. Áp suất vận hành tối đa được giới hạn bởi máy nén tăng ở đỉnh của đường cong. Điểm này được gọi là áp lực tăng tự nhiên. Tham khảo hình 1, đường ngang màu hồng đại diện cho đường áp suất không đổi. Khi nhu cầu nhỏ hơn lưu lượng tối đa từ máy nén, van tiết lưu đầu vào để giảm lưu lượng. Với các van dẫn hướng đầu vào, hiệu quả vẫn không đổi trong khi máy nén đang tiết lưu. Sức mạnh điều tiết được thể hiện trên đường cong dòng chảy của Power Power dưới dạng đường chéo. Lưu lượng tiết lưu tối thiểu cho máy nén ly tâm bị giới hạn dựa trên thiết kế. Theo đường ngang màu hồng trong Hình 1 bên trái, dòng ổn định tối thiểu được quyết định bởi điểm mà đường áp suất không đổi giao với đường tăng áp. Nếu máy nén cố gắng hạn chế lưu lượng xuống dưới điểm giao nhau này, máy nén sẽ tăng. Vì lý do rõ ràng, điều này được gọi là tăng ga. Đường tăng tốc có thể được nhìn thấy trong hình. 1 là đường chéo màu xanh trên biểu đồ dòng chảy áp lực.
Nếu nhu cầu về không khí thấp hơn giới hạn tối thiểu này, không khí dư sẽ được thải ra khí quyển để bù cho sự chênh lệch giữa lưu lượng ổn định tối thiểu và yêu cầu nhu cầu. Thật không may, sau khi máy nén ngừng tiết lưu, nguồn điện không thay đổi. Do đó, tất cả không khí được thải vào khí quyển đều bị lãng phí. Đối với một máy nén hoạt động thường xuyên với không khí đi vào khí quyển, việc giảm áp suất sẽ làm giảm lưu lượng nơi xảy ra hiện tượng tăng áp. Sau khi điều chỉnh cài đặt điều khiển, máy nén hoạt động ở lưu lượng tối thiểu vẫn giảm công suất bằng cách tăng khả năng tiết lưu so với lưu lượng tăng tiết lưu giảm. Đây chỉ là trường hợp nếu máy nén đi qua không khí vào khí quyển và các điều khiển cho phép máy nén điều chỉnh đầu vào, làm tăng khả năng tiết lưu và giảm công suất. Một lần nữa, các đường cong hiệu suất được sửa chữa được yêu cầu để định lượng mức tiết kiệm tiềm năng.
Khả năng vận hành máy nén gần với sự tăng vọt của van tiết lưu bị hạn chế bởi độ phức tạp của các thuật toán điều khiển, biến bướm ga được sử dụng và cách các vòng lặp PID của máy nén được điều chỉnh so với động lực học của hệ thống. Hình 1 minh họa việc giảm công suất liên quan đến việc điều chỉnh giới hạn bướm ga của máy nén từ cài đặt bảo thủ sang cài đặt hiệu quả hơn bằng cách điều chỉnh vòng lặp PID của máy nén để tốc độ phản ứng của máy nén phù hợp với tốc độ thay đổi của nhu cầu. Có thể thấy sự thay đổi công suất liên quan đến các điều chỉnh trong bộ điều khiển hệ thống bằng cách nhìn vào hai đường đứt nét dọc, màu tím và màu nâu từ đường áp suất không đổi đến đường dây tiết lưu trong Hình 1. Đối với máy nén này, công suất đã giảm 160 mã lực không có vốn đầu tư. Máy nén vẫn bỏ qua không khí vào khí quyển, nhưng lượng đã giảm 980 scfm, liên quan đến việc điều chỉnh máy nén gần hơn với giá trị tăng vọt của bướm ga. Điều quan trọng cần lưu ý là giới hạn kiểm soát tăng ga thường được đặt ở mức cao vì một lý do. Phân tích nguyên nhân gốc phù hợp là cần thiết để xác định các vấn đề ảnh hưởng đến cài đặt nâng cao. Là một tổ chức đã kiểm toán hàng trăm hệ thống máy nén ly tâm sử dụng các chi tiết và phân tích kỹ thuật tiên tiến, Ingersoll Rand nhận ra các hành động khắc phục có thể khác nhau đáng kể giữa các hệ thống. Trong một số tình huống, tiết kiệm sáu con số có thể được nhận ra bằng cách sửa một vấn đề phức tạp với khoản đầu tư 100 đô la. Ngược lại, tiết kiệm có thể yêu cầu sửa chữa phức tạp và tốn kém mà không thể chứng minh được.
Đánh giá hiệu suất máy nén khí ly tâm
Điều quan trọng là chỉ ra rằng hiệu suất của máy nén ly tâm có thể thay đổi đáng kể theo thời gian do sự xuống cấp cơ học của các bộ phận bên trong. Mặc dù các vấn đề chính với các bộ phận quay có thể được xác định thông qua việc đọc độ rung cao, sự ăn mòn của cánh quạt và bộ khuếch tán có thể làm giảm đáng kể khả năng áp suất, độ tin cậy và hiệu quả của máy nén ly tâm với tác động không đáng kể đến độ rung. Vì lý do này, việc đánh giá hiệu suất nên được thực hiện cho từng máy nén ly tâm một cách thường xuyên và là một phần của bất kỳ dự án bảo tồn năng lượng nào. Bất kỳ đánh giá hệ thống khí nén nào không bao gồm kiểm tra và phân tích chi tiết về hiệu suất của máy nén sẽ không có đủ dữ liệu hoặc nghi vấn và có thể là một dấu hiệu cho thấy năng lực của máy nén ly tâm của kiểm toán viên.
Cũng cần lưu ý rằng việc sửa chữa trước đây cho máy nén ly tâm có thể đã thay đổi hiệu suất đáng kể. Một số nhà cung cấp dịch vụ hậu mãi thay thế các thành phần aero nội bộ không phù hợp với thiết kế ban đầu. Trong một số trường hợp, thay vì thay thế các thành phần, chi phí có thể được tiết kiệm bằng cách nghiền nát các cánh quạt và cân bằng lại các cụm. Điều này giải quyết các vấn đề rung động nhưng có thể thay đổi đáng kể hiệu suất.
Tham khảo đường cong trong hình 1, máy nén này có khả năng cung cấp 135 psig ở điều kiện 95 ° F. Nếu máy nén này được bán dưới dạng một đơn vị 90 psig, nhiều nhà cung cấp dịch vụ ly tâm kiểm tra áp suất tăng tự nhiên và coi đó là một thử nghiệm hiệu suất. Đã làm việc với nhiều kỹ sư máy nén khí trong việc phát triển và xác minh các phân tích hiệu suất của máy nén ly tâm và các quy trình kiểm tra không xâm lấn tại chỗ, có thể nói rằng đánh giá hiệu suất của máy nén nhiều hơn đáng kể so với kiểm tra áp suất và độ rung. Các giả định dịch vụ máy nén ly tâm thông thường coi áp suất tăng tự nhiên lớn hơn 10-15% so với áp suất thiết kế là bình thường, bất kể nhiệt độ. Do đó, thử nghiệm đột biến máy nén trong Hình 1 và đạt được áp suất tăng tự nhiên lớn hơn 103 psig được coi là xác minh tích cực về hiệu suất của nhiều tổ chức. Điều này không được thực hiện với mục đích xấu, nó liên quan đến phần đầu của bài viết này và các vấn đề liên quan đến kinh nghiệm và kiến thức nhận thức. Giống như kỹ sư thông tin sai có thể ước tính một cách ngây thơ 100.000 đô la khi không có, nhiều kỹ thuật viên hiện trường sẽ thực hiện những gì họ nói là một bài kiểm tra hiệu suất, vô tình bỏ qua việc xác định hiệu suất và độ tin cậy của máy nén bị suy giảm.
--- http: //www.hqcompressor.com
